Охолодження міських центрів за принципами повернення до основ

Нове дослідження, проведене дослідниками UCL, показало, що прохолодні дахи, пофарбовані в білий колір або покриті світловідбиваючим покриттям, можуть бути більш ефективними для зниження температури та охолодження міст під час спекотних періодів, ніж сонячні панелі та зелені дахи. Тим часом кондиціонер (AC) підвищує зовнішню температуру на 1 градус Цельсія.

Це дослідження проводиться в той час, коли міста по всьому світу справляються із загрозою підвищення температури. Міські райони, як правило, тепліші, ніж сусідні сільські зони, що посилює вплив теплових хвиль і згодом збільшує ризики для здоров’я в цих місцях.

An експертиза різниці Спільним дослідницьким центром Європейської комісії було виявлено, що температура поверхні в містах іноді на 2003-2020 °C вища, ніж у сільській місцевості.

Візьмемо, наприклад, Лондон. Мешканці тут стикаються з новою реальністю, коли температура постійно перевищує 30°C. Згідно з дослідженням Міжнародного інституту навколишнього середовища та розвитку (IIED), за останні три десятиліття в Лондоні було 116 днів з температурами, що перевищували 30°C, більше половини з яких припадало лише на останнє десятиліття.

Послідовні дні вище 30°C тепер більш поширені, і навіть екстремальні температури почастішали: за останні п’ять років у Лондоні зареєстровано п’ять днів вище 35°C. Ця екстремальна спека підвищує ризик теплового виснаження та теплового удару та погіршує існуючі стани здоров’я.

У міру зміни клімату жителі міст стають дедалі вразливішими до підвищення температури, оскільки міста мають тенденцію затримувати тепло, створюючи ефект міського теплового острова, що призводить до значних проблем зі здоров’ям мешканців під час спекотних періодів.

Оскільки велике населення планети проживає в містах, дуже важливо знайти стійкі рішення для пом’якшення цих наслідків. Містобудівники, дизайнери, ради та уряди працюють над зниженням цих температур.

Деякі з пасивних методів охолодження, які активно досліджуються, включають зелені дахи, розширену міську рослинність і прохолодні дахи, а також кондиціонування повітря, активний метод охолодження внутрішніх приміщень будівель.

Зелені дахи та сонячні панелі не дуже ефективні

Досліджень, які б порівнювали вплив втручань на рівні будівель і вулиць на температуру в масштабах мегаполісів, бракує, незважаючи на зростання смертності та захворюваності в містах, пов’язаних зі спекою. Дослідники UCL моделюють вплив дев'яти втручань на температуру повітря на 2 м протягом двох спекотних днів літа 2018 року, 26 і 27 липня. 

Використовуючи детальне моделювання міського клімату та останні дані про фактичне охоплення пасивних і активних втручань, дослідження вивчили вплив обох цих стратегій адаптації до тепла на температуру зовнішнього повітря та поверхневий енергетичний баланс (SEB) у районі Великого Лондона.

Дослідження виявило, що використання як сонячних панелей, так і зелених дахів було неефективним для значного зниження температури у великих масштабах. Однак, відповідно до дослідження, можливе розгортання сонячних панелей могло б компенсувати пов’язане з цим споживання енергії.

Сонячні батареї та широка рослинність на вулицях забезпечили лише помірний чистий ефект охолодження, в середньому близько 0.3 градуса Цельсія. Хоча ці системи не дуже ефективні, вони все ж забезпечують екологічні переваги.

Тим часом, сонячні фотоелектричні (PV) панелі, які вважаються переважно джерело електроенергії, також може використовуватися як пасивно-активна стратегія для зниження температури шляхом захоплення потоку відчутного тепла. Вони роблять це, збільшуючи альбедо дахів, тобто частку світла, яку відбиває поверхня.

Дахи з рослинністю також мають деякі великі переваги, такі як середовище проживання диких тварин і дренаж води. Але в той час як зелені дахи дійсно забезпечують ефект охолодження вдень, їхній чистий ефект охолодження в середньому незначний. Дослідники виявили, що зелені дахи впливають на температуру значно змінювався протягом дня. 

Ці зелені дахи були змодельовані з рослинністю очитку, оскільки це найпоширеніша рослина в Лондоні, але інші конструкції можуть призвести до інших ефектів.

Протягом дня, коли найтепліше, широке впровадження зелених дахів може знизити температуру в містах в середньому на 0.5 градуса C. Однак зелені дахи в кінцевому підсумку підвищують нічні температури приблизно на стільки ж через те, що теплова маса з дахів утримує тепло вдень і віддає його, коли сонце заходить.

Тепер зміна типу рослинності з луків або орних угідь на листяні дерева може знизити зовнішню температуру, але лише вночі. Протягом дня дослідники виявили, що це матиме неоднозначні результати. 

У дослідженні зазначено, що це може бути пов’язано зі збільшенням альбедо поверхні, що призводить до збільшення виділення тепла. Збільшення прихованого тепла тут буде еквівалентним теплу від зелених дахів, коли розгортається в повному масштабі. 

Хоча температура повітря знижується, таке охолодження, ймовірно, збільшить кількість водяної пари в атмосфері, що, своєю чергою, збільшить вологість повітря. Тож, хоча це може бути корисним для уникнення водного стресу рослинності, це впливає на тепловий стрес мешканців міста.

Як сонячні батареї, так і суміш орних угідь, луків і листяних дерев мали сильніший ефект охолодження на сході Лондона.

Тоді що насправді працює для міст?

Опубліковано в Geophysical Research Letters, the вчитися використовував 3D-модель міського клімату Великого Лондона для перевірки теплових ефектів різних активних і пасивних міських систем керування теплом. Серед них:

• Зелені дахи
• Перший поверх деревна рослинність
• Сонячні панелі на даху
• Пофарбовані «холодні дахи»
• Кондиціонер протягом двох найспекотніших днів літа 2018 року

Щоб оцінити повний потенційний ефект кожної системи, команда змоделювала кожну з них так, ніби вона вже була широко прийнята та теоретично доцільна в житлові, комерційні та промислові будівлі по всьому Великому Лондону.

З усіх рішень були прохолодні дахи знайдений мати найбільше зниження температури повітря на висоті 2 м. Прохолодні дахи передбачають впровадження дахів з високою відбивною здатністю з різних матеріалів, таких як метал, бетон або одношарові мембрани.

Якщо розгорнути на повну потужність, усі втручання в охолодження даху сприяють зменшенню, з великим впливом на південь і схід від GLA. 

У середньому прохолодні дахи знижують зовнішню температуру на 1.2 градуси C, якщо їх широко застосовувати по всьому місту. Деякі місця в Лондоні можуть бачити стільки, скільки a Зниження температури на 2 градуси.

«Ми всебічно протестували кілька методів, які такі міста, як Лондон, можуть використовувати для адаптації до потепління та пом’якшення його температури та виявили, що прохолодні дахи є найкращим способом підтримувати низьку температуру в надзвичайно спекотні літні дні. Інші методи мали ряд важливих побічних переваг, але жоден не зміг зменшити міське тепло на вулиці майже до такого ж рівня».

– Провідний автор, д-р Оскар Брус, відділ навколишнього середовища, енергії та ресурсів школи UCL Bartlett

Прохолодні дахи насправді мають подвійні переваги:

• Охолоджуйте зовнішнє міське середовище, відбиваючи тепло, а не поглинаючи його
• Охолоджуйте внутрішні приміщення будівель

Дослідження горизонтальної адвекції холодного даху зазначило, що все залежить від положення холодних дахів. Так, якщо прохолодні дахи розташувати в центральних і середньоповерхових районах міста, малоповерхові і відкриті житлові райони будуть здається насолоджуйтесь ефектом охолодження. 

Цікаво, що встановлення холодних дахів лише на малоповерхових житлових будинках забезпечує суттєве зниження температури на вулиці до ~2°C на південному сході, але не здатне охолодити центральні райони Лондона. Впровадження холодних дахів лише на великих малоповерхових будинках призводить до незначного зниження температури в Лондоні до ~1°C у великих малоповерхових районах східного Лондона. 

Для прохолодних дахів, які вважаються «найефективнішим способом» зниження зовнішньої температури, у дослідженні зазначено:

«У максимумі це зниження температури становить від 3.2°C до 2.8°C у той час, коли середньодобові просторові температури досягають 33°C і 37°C відповідно».

Однак дослідження не обійшлося без обмежень. Дослідники визнали кілька обмежень. Це включало використання лише однієї моделі міського навісу (UCM), зосередження лише на двох спекотних літніх днях через обчислювальні обмеження та припущення одного типу застосування для кожного втручання. Крім того, відсутність абсолютно ясного неба та концентрація виключно на зовнішніх температурах були відзначені як суттєві обмеження. Дослідження також не враховує вплив цих рішень на інші аспекти, такі як циркуляція вітру, біорізноманіття та температура в приміщенні.

Таким чином, дослідники закликають до майбутніх досліджень, щоб оцінити вплив кожної з цих стратегій на більш тривалий час періоди часу, витрати, пов’язані з розгортанням кожного з цих втручань для виконання аналізу витрат і вигод, а також сприяти розгортанню SEB (поверхневий енергетичний баланс) систем моніторингу міського масштабу для перевірки модельного моделювання.

АС, що мають негативний вплив

У міру підвищення температури використання кондиціонерів повітря (КК) для захисту від тепла значно зросло. За даними Міжнародного енергетичного агентства (МЕА), між 1990 і 2016 роками світові продажі кондиціонерів зросли втричі, і вони продовжували зростати в наступному році. Отже, розмір світового ринку кондиціонерів становить за прогнозами, у 200 році перевищить 2024 мільярдів доларів і очікується, що протягом наступних п’яти років він зросте до 259.5 мільярдів доларів.

Це зростання відбувається, коли країни в усьому світі звертаються до кондиціонерів майже 90% будинків у США з кондиціонером. Однак на ці охолоджувальні пристрої припадає не лише близько 10% світового споживання електроенергії, але вони також сприяють підвищенню температури.

Кондиціонер працює, поглинаючи тепло зсередини будівлі та випускаючи його назовні, тоді як охолоджене повітря циркулює по всьому будинку. Таким чином, кондиціонер ще більше нагріває зовнішнє міське середовище. 

Згідно з останнім дослідженням, використання кондиціонерів для підтримки температури всередині приміщень усіх будівель Лондона на рівні 21°C підвищує температуру приблизно на 0.15 градуса Цельсія по всьому місту. Це підвищення може сягати 1 градуса Цельсія у щільно забудованому центрі Лондона. 

Дослідники відзначили, що кондиціонери все ще захищають групи ризику від високих температур у будівлях. Крім того, сонячні фотоелектричні (PV) панелі можна використовувати як пасивно-активну стратегію, перетворюючи вхідне сонячне випромінювання в електричну енергію, який потім можна використовувати для роботи системи змінного струму.

Якщо сонячні панелі розміщуються на дахах будинків у практичний спосіб, виробництво енергії може покрити енергоспоживання систем змінного струму, оскільки воно ніколи не перевищує 8.78 МВт у найспекотніші години. Виробництво електроенергії, якщо його не обмежуватимуться будівлями, може становити в середньому 8.79 МВт, йдеться в дослідженні. Ці місцеві впливи, однак, можуть залежати від багатьох факторів, наприклад висота будівлі та збільшення альбедо даху. 

Сказавши, що, враховуючи негативний вплив змінного струму на навколишнє середовище, дослідники активно шукають способи зниження витрат на опалення та охолодження, а також зменшення потреб у викопному паливі для роботи систем опалення, вентиляції та кондиціонування вдома. 

Як ми зазначали в наших попередніх статтях, вчені Каліфорнійського університету зробили розроблені адаптивні тайли з радіаційним перемикачем для перемикання між режимами нагрівання та охолодження. Ці пристрої зменшують потреби в охолодженні та обігріві більш ніж у 2.5 рази порівняно зі статичними пристроями. Вони можна досягти змінних цільових температур, просто змінивши матеріал фазової зміни. 

В іншому випадку вчені з лабораторії Берклі створили покриття для розумного даху, яке підтримує оптимальну температуру в будинку незалежно від пори року. Для цього вони розробили унікальний матеріал під назвою TARC (температурно-адаптивне радіаційне покриття), який автоматично вимикає радіаційне охолодження в холодні пори року, щоб уникнути надмірного охолодження та марнування енергії. 

Але це ще не все; інновації також відбуваються в галузі холодоагентів. Нещодавнє дослідження, проведене Національною лабораторією Оук-Рідж Міністерства енергетики, дозволило краще та глибше наукове розуміння матеріалів та пристроїв, які... допомога досягнення твердотільного охолодження.

Тепер давайте розглянемо деякі компанії, які можуть отримати вигоду від впровадження холодних дахів:

# 1. Оуенс Корнінг (NYSE: OC)

Як провідний виробник покрівельних матеріалів, Owens Corning може інтегрувати технологію холодної покрівлі у свою продукцію, щоб задовольнити зростаючий попит на стійкі та енергоефективні будівельні матеріали, особливо в міських районах, які постраждали від ефекту теплового острова.

У фінансовому плані Owens Corning повідомила про чистий обсяг продажів у розмірі 2.3 мільярда доларів США та чистий прибуток у розмірі 299 мільйонів доларів США в першому кварталі 2024 року. Вони очікують сталого попиту на будівельних ринках Північної Америки та встановили фінансову ціль досягнення річного доходу в 10 мільярдів доларів США до 2024 року. з середньою підлітковою операційною маржею.

# 2. 3M (NYSE: МММ)

3M могла б використати свій досвід у матеріалознавстві для розробки відбивних покриттів для дахів. Ці продукти можуть продаватися як рішення для зниження витрат на охолодження та пом’якшення впливу спеки в містах, відповідаючи глобальним тенденціям до більш сталого міського планування.

Однак Q12024 виявився неоднозначним для 3M з фінансової точки зору. Компанія помітила незначне зниження загального обсягу продажів, повідомивши про 8.0 мільярдів доларів США, що на 0.3% менше в річному обчисленні, а скоригований прибуток на акцію зріс на 21% до 2.39 доларів США. Незважаючи на труднощі з продажами, 3M продемонструвала ефективне виконання операцій і фінансову дисципліну, що сприяло значному зростанню скоригованих прибутків і покращенню скоригованої маржі операційного доходу до 21.9%.

# 3. Шервін-Вільямс (NYSE: SHW)

Як провідний виробник фарб і покриттів, Sherwin-Williams може розробити та продати спеціалізовані світловідбиваючі фарби, які можна використовувати для прохолодних дахів. Це не тільки узгоджується з цілями сталого розвитку міст, але й відкриває нову лінію продуктів, яка може бути дуже актуальною в містах, які прагнуть боротися з ефектом міського теплового острова.

У 2023 році Sherwin-Williams повідомила про зниження чистих продажів і прибутку сегмента. Чистий обсяг продажів знизився через падіння обсягу продажів на середньозначний відсоток, що вплинуло на зниження попиту в Північній Америці та відчуження китайського архітектурного бізнесу. Скоригований прибуток сегмента також зменшився, головним чином через менший чистий обсяг продажів і більші збитки від операцій з іноземною валютою, зокрема через девальвацію в Аргентині. Незважаючи на це, протягом року компанія отримала 3.52 мільярда доларів чистих операційних коштів.

Заключні думки

Підвищення температури викликає занепокоєння у країн, урядів та людей у ​​всьому світі. Оскільки міста несуть на собі основний тягар цього, вирішення проблеми міського опалення стало пріоритетом. Як зазначається в цьому дослідженні, враховуючи ефективність холодних дахів у зниженні міської температури та, як наслідок, негативного впливу на здоров'я, їх слід дослідити для широкого впровадження.

Однак, лише одне рішення не може ефективно вирішити всі проблеми. Поєднання заходів, таких як більш екологічні альтернативи, передові технології та кращі матеріали для покриття, повинні бути прийняті в усіх містах, щоб ефективно знизити зовнішню температуру та підвищити температуру в приміщенні, пом’якшуючи будь-які несприятливі впливи.

Натисніть тут, щоб переглянути список біотехнологічних компаній, які працюють над рішеннями глобального потепління.